DE3514609A1

DE3514609A1 - Regeleinrichtung fuer das brennstoff-luftverhaeltnis einer waermequelle

Info

Publication number: DE3514609A1
Application number: DE19853514609
Authority: DE
Inventors: Joachim 5632 Wermelskirchen Plate
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1984-05-03
Filing date: 1985-04-23
Publication date: 1985-11-07

Description

Ooh . Vai Π ant GmbH u. Co DE 11 6 &

2 2. 04 85

Regeleinrichtung fur das Brennstoff-LuftverhäItnis einer WärmequeiIe

Die vorliegende Erfindung bezieht, sich auf eine Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Regeleinrichtungen sind bekanntgeworden und benutzen als Meßgröße entweder die Restkonzentration des Sauerstoffs im Abgas oder den CO^-Gahalt dieses Abgases. Die genannten" Regeleinrichtungen benötigen aufgrund der Tatsache, daß eine hier wie auch immer geartete kontinuierlich arbeitende quantitative Gasanalyse vorgenommen werden muß, einen hohen meßtechnischen Aufwand. Diese hohen Kosten der Sauerstoff- beziehungsweise Kohlendioxydanalyse rechtfertigen den Einsatz dieser Meß- und Regelmethoden bislang nur im industriellen Großofenbau.

Die vorliegende Erfindung bezweckt den Aufbau einer Verhä i tfl.i sregel ung für das Luf tbrennstof f verhä Itni s einer

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Kleinwärmequelle etwa im Bereich zwischen 5 und 30 kW. Bei einer solchen kleinen Wärmequelle darf der Preis für die Regeleinrichtung einen gewissen kleinen Prozentsatz in Relation zu dem Gesamtgerätepreis nicht übersteigen, da sonst die Regeleinrichtung vom Betreiber der Wärmequelle nicht akzeptiert wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es einen Zusammenhang zwischen der Luftzahl und der Taupunkttemperatur im Abgas gibt. In weiterer erfindungsgemäßer Erkenntnis kann man nun die Temperatur im Abgas durch Verändern der Luftzahl soweit erniedrigen, bis die Taupunkttemperatur gerade noch nicht unterschritten wird. Damit besteht die erfindungsgemäöe Lösung in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren eins bis drei näher erläutert.

Es zeigen

Figur eins eine Prinzipdarstellung eines Kessels mit der erfindungsgemäßen Regel einrichtung,

Figur zwei einen Umlaufwasserheizer mit der Regeleinrich-

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tung und

Figur drei den schematischen Aufbau des Istwertgebers.

In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Innerhalb eines Aufstellungsraums 1, der durch Wände 2 eines Gebäudes begrenzt ist, ist ein Kessel 3 aufgestellt. Bei diesem Kessel kann es sich urn einen Gußkessel sowie auch um einen geschweißten Stahlkessel handeln, der von ainem Brenner 4 beheizt ist. Bei diesem Brenner kann es sich um einen öl- oder Gasbrenner handeln, weiterhin ist die Ausbildung des Gasbrenners sowohl als Gebläsebrennar wie auch als atmosphärischer Gasbrenner möglich. Der Kessel ist über ein Abgasrohr 5 mit der Atmosphäre δ verbunden, deren Temperatur einem Außentemperaturfühler 7 ausgesetzt ist, der über eine Meßleitting 8 mit einem Regler 9 verbunden ist. Mit dem Regler ist über eine Leitung 10 ein Taupunkttemperaturfühler II als weiterer Istwertgeber verbunden, der im Abgasrohr 5 stromab des eigentlichen Kesselwärmetauschers angeordnet i st.

Der Kessel ist über eine Vor!aufleitung 12 und eine Rück!auf 1 eitung 13 mit einem 4-Wege-Mischventi1 14 verbunden, von dem eine Heizkreis-Vorlaufleitung 15 und eine

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Heizkreis-Rück!aufleitung 16 abgehen, die ihrerseits über eine Vielzahl von Radiatoren einer Heizungsanlage unter Zwischenschaltung einer Pumpe miteinander verbunden sind. Die Temperatur der Heizkörpervorlaufleitung 15 wird durch einen Temperaturfühler 17 abgefühlt, der über eine Meßlei tung 18 mit dem Regler 9 verbunden ist. Über eine Stellleitung 19 ist ein Stellmotor des Mischers 14 mit dem Regler 9 verbunden.

über eine weitere Stelleitung 20 ist ein stufenlos verstellbares Gasventil 21 mit dem Regler 9 verbunden, das im Zuge einer Gaszuleitung 22 angeordnet ist und den Brenner mit Gas speist. Bei diesem stufenlos verstellbaren Gasventil kann es sich um eine an sich bekannte, pneumatisch arbeitende, stetig verstellbare Gasarmatur bekannter Bauart handeln. Bei Verwendung eines ülbrenners ist statt des Gasventils 21 eine vertellbare ölförderpumpe oder ein stetig variierbares Magnetventil vorgesehen. Der Brenner ist im Ausführungsbeispiel nach Figur eins als Gebläsebrenner ausgebildet, der Luftzutritt zum Brenner ist über eine Drossel blende 23 verstellbar, die einen nicht weiter dargestellten Stellmotor besitzt, der über eine Stelleitung 24 von dem Regler 9 beaufschlagt ist.

Die nach Figur eins beschriebene Regeleinrichtung besitzt

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folgende Funktion:

Ausgehend von der Außentemperatur oder einer anderen die Belastung vorgebenden Größe wird ein bestimmter Gasdurchsatz durch den Brenner vorgegeben.

Nach Maßgabe der Vorlauftemperatur wird dem Regler 9 eine bestimmte Führungsgröße als Last vorgegeben, die bei bekannter Gasart nur mit einem bestimmten Gasdurchsatz in der Zeiteinheit erreichbar ist. Auf diesem Gasdurchsatz wird das Gasventil 21 voreingestellt. Der Brenner 4 wird gezündet, und über die Stelleitung 24 resultiert eine bestimmte Stellung der Drosselblende 23, die zu einem bestimmten, hierzu passenden Luftdurchsatz führt. Die heißen Abgase des Branners beaufschlagen den Kesselwärmet£uscher im Innern des Kessels 3 und gelangen als abgekühltes Abgas in das Abgasrohr 5. Hier wird der Taupunkttemperaturfühler Il beaufschlagt, der auf seiner Leitung 10 ein bestimmtes Temperaturmeßsignal als Istwert auf den Regler 9 schaltet. Ist die Taupunkttemperatur bereits irn Abgasrohr unterschritten, so bedeutet dies, daß der Luftüberschuß zu klein ist. Oemgemäß resultiert über den Regler 9 ein Befehl zur Vergrößerung des Luftdurchsatzes durch Variation der Stellung der Drosselb!ende 23. Diese Stellbewegung wird so lange fortgesetzt, bis keine Taupunktunterschreitung mehr stattfindet. Für den Fäll, daß eine Taupünktunterschreitung nicht vorliegt, versucht der Reg-

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ler 9, durch Verkleinern des Luftdurchsatzes die optimale Luftzahl zu erreichen, die bei einem Gebläsebrenner etwa bei = 1,1 bis 1,2 liegt. Dieser Wert wird erreicht, wenn die Taupunkttemperatur gerade nicht erreicht wird. Der Regler ist so justiert, daß er durch Vergrößern der Luftbeimischung die Temperatur der Abgase im Abgasrohr 5 so weit zu senken versucht, daß gerade nicht ein feuchter Niederschlag durch Unterschreiten der Taupunkttemperatur auftritt. Diese Wirkungsweise der Brennstoff-LuftverhäItnisregelung ist unabhängig von der Belastung des Kessels, also dem gerade notwendigen Gasdurchsatz. Bei Variation des Brenngases (Obergang von Erdgas auf Stadtgas oder Flüssiggas) ergeben sich zwar andere Werte für die Abhängigkeit der Taupunkttemperatur von der Luftzahl, nur können diese Werte am Regler justiert werden, so daß der Regler auch für alle Gasarten anpaßbar ist. Unabhängig von dieser Brennstoff-Luftverhältnisregelung findet noch eine Vorlauftemperaturregelung statt, indem die Temperatur vom Fühler 17 auf den Regler 9 gemeldet und zum Ausgleich einer etwaigen Regelabweichung der Vorlauftemperatur des Mischventils 14 nachgestellt wird. Ebensogut könnte hier statt einer Vorlauftemperaturregelung auch eine Rück 1 auftemperaturregelung stattfinden, es wäre auch möglich, das Mischventil entfallen zu lassen und die Leitungen 12 und 15 beziehungsweise 16 und 13 unmittelbar

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miteinander zu verbinden und mit einer reinen Brennersteuerung zu arbeiten. Die Verhältnisregelung Luft/Brennstoff bleibt hiervon unberührt.

Figur drei zeigt die Anwendung der erf i ndungsgemä'ßen Verhältnisregelung auf einen Umlaufwasserheizer. Dieser Umlaufwasserheizer 30 ist über die Vor!aufleitung 12 an die Radiatoren 34 angeschlossen, die ihrerseits über eine Pumpe 35 mit der Rücklaufleitung 13 verbunden sind. Der Wärmetauscher 36 ist im Gehäuse des Umlaufwasserheizers integriert. Statt eines Umlaufwasserheizers könnte es sich genausogut um einen reinen Brauchwasserbereiter handeln oder um einen Speicher. Wesentlich ist, daß hier ein atmosphärischer Brenner 4 benutzt ist, der über die Gasleitung 22 über eine Gasarmatur 21 gespeist ist, die über einen Stellmotor 37 mit dem Regler 9 verbunden ist. Ober den Stellmotor 37 kann das Gasventil 21 stetig proportional verstellt werden. Der Regler 9 ist mit dem Taupunkttemperaturf ühler 11 über die Leitung 10 verbunden, gleichermaßen über die Leitung 8 mit dem Außentemperaturfühler 7. Es besteht die Möglichkeit, den Brenner 4 als Vormischbrenner auszugestalten, der UmI aufwasserheizer 30 ist mit einer Sekundär-Luftzufuhröffnung 38 verbunden, die als zylindrischer Kanal ausgebildet ist und mit einer Klappe 32 mehr oder weniger verschließbar ist. Die Klappe ist über eine Welle 33 mit einem Stellmotor 31 verbunden,

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der über die Stelleitung 24 vom Regler 9 beaufschlagt wird. Diese Regeleinrichtung arbeitet analog zu der nach Figur eins, ausgehend von der Außentemperatur oder einer anderen die Belastung vorgebenden Größe wird ein bestimmter Gasdurchsatz durch den Brenner 4 vorgegeben. Zu diesem Gasdurchsatz gehört eine bestimmte Luftzufuhrmenge in der Zeiteinheit, die durch mehr oder weniger großes Verstellen der Sekundar-Lufteiη 1aßöffnung 38 eingestellt werden kann. Die Einstellung der Sekundär-Luftzufuhr beziehungsweise auch der Primär-Luftzufuhr geschieht somit durch ein Verstellen der Welle über den Stellmotor 31. Das vom Brenner 4 erzeugte Abgas wird im Wärmetauscher 36 abgekühlt und gelangt anschließend ins Abgasrohr 5. Hier wird vom Meßfühler erfaßt, ob die Taupunkttemperatur über- oder unterschritten ist. Im Falle der Unterschreitung der Taupunkttemperatur wird der Luftdurchsatz erhöht bis die Taupunkttemperatur überschritten ist, im Falle der vorliegenden Taupunkttemperatur-Überschreitung wird die Luftzufuhr verringert, bis die Taupunkttemperatur gerade erreichtist.

Aus der Figur drei geht der Aufbau des Meßfühlers beziehungsweise Istwertgebers 11 hervor. Bei diesem Istwertgeber 11 handelt es sich um ein doppeltes

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Peltierelement, dessen einer Teil 40 in das eigentliche Fühlerelement 41 integriert ist, während das andere Fühlerelement 42 im Abstand außerhalb des Abgasrohres 5 angeordnet ist. Beide Peltierelemente sind über je eine Leitung 43 und 44 miteinander verbunden, wobei in der Leitung 44 eine Gleichspannungsquelle 45 angeordnet ist. Diese kann aus einer Batterie oder einem Netzteil bestehen. Die Gleichspannung kann auch von einem Elektronikteil 46 geliefert werden, das mit zwei Ausgangsleitungen 47 und 48 mit den beiden Anschlüssen der Leitung 44 verbunden ist. Von dem Elektronikteil 46 kann die Gleichspannung, die auf die Leitungen 47 und 48 gegeben wird, periodisch umgeschaltet werden. Auf die Oberfläche des Fühlers 41 sind Widerstandsbahnen 49 aufgebracht, die ihren Widerstand ändern, sowie sich auf der Oberfläche Feuchte niederschlägt.

Die Peltierelemente bestehen aus Metallelementkombinationen, die, wenn man an sie eine Gleichspannung anlegt, unterschiedliche Temperaturniveaus annehmen. Bei Umpolung der Gleichspannung vertauschen die Kontaktstellen der Peltierelemente ihre Temperaturen. Bringt man nunmehr die kalte Seite eines Peltierelements in ein Abgasgemisch einer brennstoffbeheizten Wärmequelle, so wird bei Erreichen der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes Wasser als Kondensat- au-sf al Ten , wenn die Taupunkttemperatur

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unterschritten wird. Das Vorhandensein niedergeschlagenen Wassers als Kondensat kann dann durch die Widerstandsmessung der einzelnen Widerstandselemente 49 festgestellt werden. Die Widerstände sind hierzu über Leitungen 50 mit dem Elektronikteil 46 verbunden. Durch das leitende Kondenswasser ergibt sich im Bereich der Widerstände eine große Widerstandswertabnahme. In diesem Augenblick kann mit Hilfe eines NTC-Fühlers oder Thermoelements die Messung der Oberflächentemperatur des Fühlers erfolgen. Hierzu ist ein Temperaturfühler 51 vorgesehen, der über die Leitung 10 mit dem Regler 9 verbunden ist. Nach erfolgter Registrierung der Taupunkttemperatur wird die Gleichspannung auf den Leitungen 47 und 48 umgepolt. Damit erwärmt sich die kalte Meßstelle des Peltierelements, und das Kondensat verdampft. Nach diesem Vorgang erfolgt eine erneute Umpolung, wobei die Taupunkttemperatur an der Meßstelle im Abgasrohr wieder unterschritten wird. Im Moment des Feuchteniederschlags aufgrund des kondensierenden Abgases wird über den Temperaturfühler 51 wieder die Temperatur gemessen und auf den Regler 9 gegeben. Die zeitliche Folge der Messung ist von der thermischen Trägheit der Meßzelle und der Thermokraft des Peltierelements abhängig. Durch einen geeigneten Aufbau des Meßfühlers 41 wäre auch eine kontinuierliche Messung der Taupunkttemperatur möglich.

Claims

Joh. Vai11 ant GmbH u. Co I DE 17 6 6 Ansprüche

1. Regeleinrichtung für das Brennstoff-Luftverhältnis einer Wärmequelle mit einem eine Meßgröße aufweisenden Istwertgeber, dem Regler sowie ei- J* nem die Luftzufuhr beeinflussenden Stellglied, \ dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße die Temperatur der Abgase mit den Maßgabe ist, daß die Taupunkttemperatur nicht unterschritten wi rd.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch eins, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße die Taupunkttemperatur ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch eins oder zwei, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwertgeber (11) als Feuchtefühler (41) ausgebildet ist.

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4. Regeleinrichtung nach Anspruch eins oder zwei, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwertgeber als Peltierelement (40, 42) ausgebildet ist.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch vier, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Peltierelemente (40, 42) vorgesehen sind, von denen eines im Abgasstrom angeordnet ist.

6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche eins bis fünf, dadurch gekennzeichnet, daß eine polumschaltbare Spannungsquelle (46) vorgesehen ist, die die beiden Peltierelemente mit einer umpolbaren Gleichspannung periodisch beaufschlagt.

7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche eins bis sechs, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Meßfühlers (41) ein Temperaturfühler (51) angeordnet ist, mit dem im Augenblick der Abgaskondensation die Abgastemperatur gemessen ist.